社群式車聯網結構中的LTE協作信息傳播模式

摘要：本文探討了一種基于LTE 的社群式車聯網協作模式，并深入研究了其在信息傳播和系統穩定性方面的性能，細描述了LTE 技術的基本原理，提出了一個新的協作模式，并通過仿真實驗驗證了其性能。結果顯示，與傳統的車聯網通信模式相比，基于LTE 的協作模式在時延、信息傳播效率和系統穩定性方面都有顯著的優勢。本文為車聯網技術的發展提供了新的思路和方向。

關鍵詞：車聯網；LTE ；信息傳播；社群式

中圖分類號： TP393 文獻標識碼：A

基金項目：江西省教育廳科學技術研究項目《基于社會網絡的車聯網安全信息傳播機制研究》（項目編號：GJJ201818）

0 引言

隨著現代交通系統的不斷發展，車輛之間的通信已經成為了提高道路安全和交通效率的重要手段。傳統的車聯網結構主要基于車與車（V2V）和車與基礎設施（V2I）的通信，但隨著車輛數量的增加和交通環境的復雜化，這種結構面臨著時延、信息傳播效率和系統穩定性等問題。為了解決這些問題，研究者開始探索新的車聯網結構。社群式車聯網結構作為其中的一種新型結構，其特點是車輛可以根據自身的狀態和周圍環境形成臨時的通信社群，從而實現更高效和穩定的信息傳播。

長期演進技術（LTE）由于其高數據傳輸速率、低時延和高可靠性等優勢，逐漸被應用于車聯網中。然而，如何將LTE 技術與社群式車聯網結構相結合，從而實現更優的信息傳播模式，仍是一個亟待解決的問題。因此，本文將深入探討社群式車聯網結構中的LTE 協作信息傳播模式，為車聯網的進一步發展提供有益的參考。

1 社群式車聯網結構

1.1 社群式車聯了結構概述

在交通系統智能化的大背景下，車輛的通信需求在增加，相關的技術也在近些年得到了快速的發展。為了適應更加復雜、多變的交通環境，社群式車聯網結構應運而生，為車輛提供了一種更加靈活、高效的通信模式。

社群式車聯網結構是基于車輛間臨時通信群體的結構。與傳統的點對點通信模式不同，它強調的是車輛根據實際行駛環境和需求，形成短暫、動態的通信群體。社群式車聯網具有以下特點。

（1）動態性：社群的形成和消失是非常快速和動態化的，完全取決于車輛的移動和通信需求。

（2）自組織：車輛可以根據實際情況自動加入或離開社群，無需中央控制。

（3）高效性：通過社群內的協同工作，可以實現更高效的信息交換和資源共享。

（4）靈活性：能夠適應各種復雜的交通環境和通信場景。社群的形成主要基于3 個因素。地理位置：物理距離近的車輛更容易形成社群。行駛方向和速度：同方向、速度接近的車輛形成社群的可能性更高。通信需求：具有相似通信需求的車輛更傾向于組成社群。

根據社群的特性和形成機制，我們可以將其分類為靜態社群與動態社群。前者主要形成于車輛在停車狀態或緩慢行駛狀態時，如在停車場、紅綠燈等場景中。后者主要形成于車輛的高速行駛狀態，如高速公路、城市快速路等場景。

1.2 社群內與社群間的通信模式

在社群內，車輛之間的通信主要依賴于短距離、高頻率的直接通信方式。這種方式可以確保信息的快速、準確傳播，并且能夠有效地應對復雜的交通環境。

而社群間的通信則相對復雜。由于社群之間的物理間隔可能比較遠，直接通信不太可行。為此，通常需要通過社群長或其他特定車輛進行中繼，將信息從一個社群傳遞到另一個社群。這種模式雖然增加了通信的復雜性，但也為信息的廣泛傳播提供了可能[1]。

2 LTE 技術基礎

隨著無線通信技術的迅速發展，LTE 技術逐漸成為車聯網領域的重要通信手段，為車與車、車與基礎設施的通信提供了強大的支持。LTE，即長期演進技術，是第四代（4G）移動通信技術的一部分，旨在提供比其前代技術更高的數據傳輸速率和更好的用戶體驗。它采用了先進的調制技術、多入多出（MIMO）天線技術和高效的頻譜利用策略，從而實現了高速、低時延的數據通信。與傳統車聯網通信的對比，LTE 技術具有如下優勢。

數據速率：傳統的車聯網通信技術，如DSRC（專用短距離通信），雖然可以滿足車輛的基本通信需求，但其數據傳輸速率相對較低。而LTE 技術由于其先進的物理層設計，能夠提供更高的數據速率，使得車輛可以進行大量數據的快速傳輸。

高效的頻譜利用：LTE 技術采用了先進的調制和編碼技術，使得在同樣的頻譜資源下，可以傳輸更多的數據。

低時延：在緊急通信場景中，如碰撞預警，低時延是非常關鍵的。LTE 的設計重點之一是減少通信時延，這使得它非常適合需要實時反饋的車聯網應用，如自動駕駛和安全預警。

廣泛的網絡覆蓋：由于LTE 是為移動通信設計的，因此它具有廣泛的網絡覆蓋，無論車輛在城市還是鄉村，都可以保持穩定的通信連接。這意味著車輛在更大的地理區域內可以保持穩定的通信。

3 社群式車聯網中的LTE 協作模式

隨著車聯網的發展，如何更高效地在車輛之間傳輸信息成為了一個關鍵問題，傳統的車聯網通信模式已經難以滿足現代復雜交通環境的需求。為此，結合LTE 的高速、低時延和高可靠性特點，本研究提出了一種新的協作模式[2]。

3.1 協作模式的提出

考慮到LTE 的明顯優勢，本文認為將其引入到社群式車聯網中，可以進一步提高信息傳輸的效率和穩定性。基于這一思考，提出了一種基于LTE 的社群式車聯網協作模式。這種模式不僅充分利用了LTE 的技術特點，還結合了社群的動態性和自組織特性。

3.2 LTE 協作模式的工作原理

如圖1 所示，在此協作模式下，車輛首先基于其行駛狀態和通信需求形成社群。每個社群內的車輛都可以通過LTE 直接進行通信，從而實現快速的信息交換。與此同時，社群之間的通信則需要通過特定的車輛，即社群長，來進行中繼。這種模式不僅確保了社群內的高效通信，還實現了社群間的穩定連接。

3.3 社群長的選舉及其角色

社群長的選舉是此協作模式的關鍵環節。選舉的主要原則是確保社群長具有良好的通信能力和中心位置，從而能夠有效地進行社群內外的信息交換。

選舉機制：車輛根據其通信能力、電池狀態、位置和行駛方向等參數，計算一個權重值。權重值最高的車輛被選為社群長。

社群長的角色：社群長負責接收社群內的信息，并將其中繼到其他社群或基礎設施。社群長還負責管理社群內的通信資源，如頻譜、時間片等，確保信息傳輸的高效和公平。隨著車輛的移動和通信需求的變化，社群長可以根據實際情況進行動態調整，如重新選舉、資源重新分配等[3]。

總之，社群式車聯網中的LTE 協作模式提供了一個新的思路，將LTE 技術的優勢與社群的動態性和自組織性完美結合，為車聯網的發展打開了新的可能。

4 LTE 協作模式下的信息傳播機制

在社群式車聯網結構中，信息的傳播是至關重要的。結合LTE 的協作模式，我們可以更高效地進行信息的傳遞和交換，滿足車輛通信的實時性和準確性要求。

4.1 信息的分類與傳播要求

在車聯網中，車輛需要傳遞的信息可以大致分為兩類。

緊急信息：這類信息通常與車輛的安全和行駛狀態有關，如碰撞預警、緊急制動等。對于這類信息，傳播的時延要求非常低，且必須確保其傳輸的可靠性和準確性。

常規信息：這類信息主要包括車輛的一般狀態、路況信息和天氣信息等。雖然其傳播的時延要求相對較低，但仍需要確保其傳輸的完整性和準確性。

4.2 社群內信息的快速傳播

在一個社群內，車輛之間的距離通常較近，這為信息的快速傳播提供了條件。利用LTE 技術，車輛可以實現高數據速率的通信，使得信息可以在極短的時間內完成傳播。此外，LTE 的高可靠性也確保了信息傳輸準確，避免因為信號干擾或丟包導致的信息傳播失敗。

4.3 社群間的信息交互與融合

當涉及到不同社群間的信息交互時，情況會變得復雜。由于社群之間可能存在較遠的物理距離和通信障礙，直接的車輛間通信不太可行。為此，我們引入了社群長這一角色。社群長負責接收并存儲其所在社群內的信息，并與其他社群的社群長進行信息交互。通過這種方式，不同社群的信息可以得到交互和融合，從而實現了全局的信息共享[4]。

此外，為了確保信息交互的準確性和時效性，社群長之間的通信還需要采用特定的協議和策略，如時間同步、數據校驗等，以確保信息的完整性和一致性。

總體來看，LTE 協作模式為社群式車聯網中的信息傳播提供了強大的支持，使車輛可以更加高效、準確地進行信息交換和共享[5]。

5 性能評估

為了驗證基于LTE 協作模式的社群式車聯網的有效性和可行性，進行了一系列的性能評估。性能評估是科研中的關鍵步驟，它可以提供模式的實際效果和可能存在的問題，從而指導后續的研究和優化。

5.1 評估標準與指標

在性能評估中，主要關注以下幾個關鍵指標。

時延：衡量信息從發送到接收所需的時間。對于車聯網，尤其是涉及安全的應用，低時延是非常關鍵的。

信息傳播效率：評估信息在車輛之間傳播的速度和范圍。高的傳播效率意味著信息可以在更短的時間內到達更多的車輛。系統穩定性：考察在各種不同條件下，系統的運行是否穩定，是否容易出現掉線、數據丟失等問題。

5.2 仿真環境與實驗設置

為了進行性能評估，我們使用MATLAB 建立了一個仿真環境。該環境模擬了真實的交通場景，包括車輛的移動、通信以及各種可能的干擾。實驗環境設置如下。

車輛密度：設置了從低到高的不同車輛密度，以考察車輛數量對性能的影響。

移動速度：考慮到車輛在不同的道路和場景下會有不同的行駛速度，我們設置了從慢到快的不同移動速度。

通信模式：為了驗證LTE 協作模式的優勢，我們還設置了傳統的車聯網通信模式作為對比。

在仿真實驗中，讓車輛按照預設的參數進行移動和通信，并記錄相關的性能數據。通過分析這些數據，可以得到基于LTE 協作模式的社群式車聯網的實際性能，并與傳統模式進行對比，從而驗證其優勢和效果。

5.3 結果分析

（1）時延評估

時延這一關鍵指標如圖2 所示。從仿真結果中可以明顯看出，相比于傳統的車聯網通信模式，LTE 協作模式在時延上有了顯著的改善。具體來說，平均時延減少了約40%，最大時延減少了約30%。這主要歸功于LTE 技術的高數據速率和低時延特性，使得信息可以在更短的時間內完成傳輸。

（2）信息傳播效率

如表1 所示，在信息傳播效率方面，仿真結果也十分令人滿意。基于LTE 的協作模式下，信息的傳播速度提高了約50%，覆蓋范圍增加了約60%。這意味著在相同的時間內，更多的車輛可以接收到信息，從而實現更廣泛的信息共享。這一結果驗證了我們的假設，即利用LTE 技術和社群結構可以實現更高效的信息傳播。

（3）系統穩定性

系統穩定性是評估任何通信系統性能的關鍵指標。如圖3 所示，在LTE 協作模式下，系統的穩定性得到了很好的保證。具體來說，系統的掉線率減少了約70%，數據丟失率減少了約50%。這一結果表明，基于LTE 的協作模式不僅可以提高信息傳播的效率，還可以確保系統的穩定運行。

綜上，仿真實驗結果驗證了基于LTE 協作模式的社群式車聯網在時延、信息傳播效率和系統穩定性等方面都具有顯著的優勢。這為其在實際應用中的推廣提供了有力的支撐。

6 結束語

隨著車聯網技術的迅速發展，如何提高信息傳播的效率和準確性已經成為了研究的熱點。本文深入探討了基于LTE 的社群式車聯網協作模式，并通過一系列的仿真實驗驗證了其性能。

從研究中可以明確地看到，與傳統的車聯網通信模式相比，LTE 協作模式在時延、信息傳播效率和系統穩定性等方面都有顯著的優勢。特別是在高車輛密度和復雜的交通環境下，LTE 協作模式展現出了其優異的性能。

社群長的角色和選舉機制確保了社群內外的高效通信和信息交互。與此同時，提出了幾種性能評估標準，并在仿真環境中進行了實驗驗證。

總的來說，基于LTE 的社群式車聯網協作模式為車聯網的發展打開了新的可能。隨著LTE 技術和車聯網的進一步發展，這一模式將在未來的交通系統中得到廣泛的應用。

【參考文獻】

[1] 朱海山， 李俊， 馮曉偉等. 探究TD-LTE 網絡在LNG 項目的有效運用[J].石油和化工設備，2023，26（08）：44-46.

[2] 陳永， 劉雯， 詹芝賢. 基于混合密鑰增強的LTE-R 車地認證密鑰協商方案[J]. 鐵道學報，2023，45（06）：69-79.

[3] 彭傳賢. 城市軌道交通車地綜合通信系統（LTE-M）樞紐換乘站頻段規劃方案研究[J]. 城市軌道交通研究，2023，26（05）：124-127.

[4] 王皓. 基于LTE-M 的下一代列控數據通信系統設計與可用性評估[J]. 都市快軌交通，2023，36（01）：156-167.

[5] 張衡， 侯筱巖， 辛鑫. 基于LTE-M 技術的城市軌道交通車地通信應用[J].城市軌道交通研究，2022，25（12）：207-210.

作者簡介：

汪穎，碩士，副教授，研究方向為物聯網。

劉澤良，碩士，副教授，研究方向為物聯網。